最近，金屬所塑性加工先進(jìn)技術(shù)課題組在鋁合金板材高應(yīng)變率沖擊液壓成形技術(shù)與裝備方面取得系列重要進(jìn)展，有望推動和提升我國航空鈑金制造業(yè)發(fā)展水平。
航空航天裝備中，鈑金類零件占總零部件數(shù)量、制造工作量占全機工作量均在20%以上。針對目前航空領(lǐng)域?qū)︹k金零件的輕量化及整體化發(fā)展的迫切需求，具有凸臺、加強筋和小圓角等小特征結(jié)構(gòu)的鋁、鎂、鈦輕質(zhì)合金復(fù)雜異型薄壁鈑金零件的制造已成為推動大型飛機水平提升亟待解決的重要問題。航空用高強鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)合金塑性差，成形過程中容易起皺和開裂。我國一直沿襲前蘇聯(lián)的落錘成形技術(shù)，落錘成形需通過模具壓制與人工結(jié)合，通過錘擊、墊橡膠等方式進(jìn)行多道次壓制和人工輔助加工成形，以消除起皺并通過人工手動工序控制材料流動以防止破裂發(fā)生，要求操作者具有豐富的加工經(jīng)驗和技術(shù)技巧。落錘成形由于是剛性模成形，成形零件會有劃痕等缺陷，成品率不高，零件精度及一致性差，材料利用率低，模具壽命較低，勞動條件和安全性差。
針對上述復(fù)雜航空鈑金零件制造過程中的問題及我國大飛機行業(yè)的發(fā)展需求，金屬所塑性加工先進(jìn)技術(shù)團(tuán)隊博士生馬彥、徐勇副研究員及張士宏研究員等人與沈飛、成飛和河南興迪公司合作，通過將充液拉深成形技術(shù)與高速沖擊成形技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新型沖擊液壓成形技術(shù)。
課題組完成了從理論分析、設(shè)備研制到工藝驗證的全鏈條研究。通過霍普金森拉桿實驗研究發(fā)現(xiàn)，5A06鋁合金單向拉伸試件在高應(yīng)變速率條件下（2.7 103s-1）的延伸率相比于準(zhǔn)靜態(tài)條件增加了40%。課題組自行設(shè)計了一臺板材沖擊液壓成形極限試驗裝置，發(fā)現(xiàn)5A06鋁合金板件的沖擊液壓成形極限相比于準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形極限得到了大幅提高。通過自行設(shè)計的沖擊液壓成形物理模擬實驗裝置，對沖擊液壓成形的沖擊傳載特性及設(shè)備關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了理論和實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，該工藝同樣適用于鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金等。
基于以上研究，課題組自主研發(fā)了新型沖擊液壓成形專用設(shè)備。該設(shè)備采用液壓蓄能器組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了大質(zhì)量沖擊體的高能高速驅(qū)動及控制，是該設(shè)備的核心專利技術(shù)。由于采用了液體這一柔性成形介質(zhì)，成形零件具有良好的表面質(zhì)量。通過室溫高應(yīng)變率成形，無需熱處理即可提高材料在室溫條件下的塑性。設(shè)備的最大沖擊能量200kJ，最高沖擊速度80m/s，具有適合于工業(yè)化應(yīng)用的自動操作模式。該設(shè)備最大可用于500mm 500mm 3mm的鋁、鎂、鈦等低塑性合金的板材成形，也可用于需要同等成形能量的管材成形、汽車板件成形、板材與管材的沖孔等工序。
課題組已經(jīng)通過沖擊液壓成形技術(shù)成功實現(xiàn)了航空復(fù)雜薄壁口框零件的成形。該技術(shù)制造的口框零件具有更均勻的壁厚減薄率，更好的小圓角填充能力，并且能夠有效的抑制回彈。與現(xiàn)有落錘生產(chǎn)技術(shù)相比，該技術(shù)將傳統(tǒng)8道次以上的人工輔助制造過程改變?yōu)?道次的自動化生產(chǎn)過程，無需中間工藝熱處理，提高了400%的生產(chǎn)效率。
課題組還與白俄羅斯科學(xué)院和羅馬尼亞克盧日-納波利技術(shù)大學(xué)進(jìn)行合作，研制成功一臺全新原理的、世界上第一臺可以用于生產(chǎn)的沖擊液壓成形設(shè)備。
相關(guān)研究成果于5月2日在線發(fā)表在國際機械工程組織（The International Academy for Production Engineering，簡稱CIRP)的會刊CIRP Annals—Manufacturing Technology在線發(fā)表（DOI：10.1016@j.cirp.2018.04.024），并應(yīng)邀在8月份東京舉辦的國際CIRP學(xué)術(shù)年會上作報告。CIRP是國際機械工程制造領(lǐng)域的核心權(quán)威專家組織，CIRP Annals是機械制造領(lǐng)域最權(quán)威的期刊（I F因子4.2以上）。
該研究得到了中國科學(xué)院國際合作局、沈陽市科技局等重點研發(fā)項目的支持。
圖1 （a）霍普金森拉桿實驗裝置（b）5A06高應(yīng)變速率應(yīng)力應(yīng)變曲線 （c）高應(yīng)變速率拉伸和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸延伸率對比
圖2 （a）5A06高應(yīng)變速率板成形極限測試原理及實驗裝置（b）沖擊液壓成形極限曲線和準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形極限曲線
圖3 （a）沖擊液壓成形物理模擬實驗裝置 （b）沖擊液壓成形設(shè)備原理圖
圖4 5A06鋁合金復(fù)雜薄壁口框零件 （a） 落壓成形 （b）沖擊液壓成形
圖5 沖擊液壓成形的2B06飛機板件，2道次，無中間熱處理，無人工，沖孔成形同模具一次完成
